開口銷斷裂分析

卜嘉利，高志坤，韓振宇，佟文偉

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015)

0 引言

開口銷是一類重要的緊固件，在航空發(fā)動機(jī)固定銷軸上應(yīng)用十分廣泛[1-3]。開口銷的主要功能是防止固定銷軸脫落，其工作狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響發(fā)動機(jī)的可靠性和使用性能，一旦開口銷發(fā)生失效，會使固定銷軸脫落，導(dǎo)致整個發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障，影響發(fā)動機(jī)的正常工作并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失；因此，對固定銷軸上的開口銷故障進(jìn)行深入的研究十分必要。故障開口銷材料為1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，該類不銹鋼具有高韌性、高塑性、工藝性優(yōu)異等特點(diǎn)[4-8]。

發(fā)動機(jī)在工作19 h后分解檢查，發(fā)現(xiàn)順航向左側(cè)α1作動筒與支架固定銷軸上的開口銷發(fā)生斷裂故障。由于發(fā)動機(jī)上的開口銷是新裝配上的且在較短服役時間內(nèi)發(fā)生斷裂，因此對故障開口銷進(jìn)行失效模式及機(jī)理研究。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

故障開口銷宏觀形貌見圖1，由圖可見，開口銷表面磨損較重，局部區(qū)域有較重的劃痕，分開部位兩端存在高低差。

對故障開口銷附近的安裝零部件進(jìn)行觀察可見，與開口銷接觸的作動筒支架側(cè)表面有周向的磨痕(圖2)，說明在試車過程中，開口銷隨作動筒支架固定銷軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。開口銷隨作動筒支架固定銷軸發(fā)生轉(zhuǎn)動時，支架側(cè)表面會對開口銷回彎處表面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

圖1 故障開口銷宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of the fault split pin

圖2 作動筒支架側(cè)表面的磨痕Fig.2 Grinding on the side surface of the actuating cylinder bracket

1.2 斷口分析

故障開口銷斷口宏觀形貌見圖3，由圖可知：斷口表面高差較大，呈金屬光澤，磨損較重，局部有塑性變形現(xiàn)象；可見明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，表明該斷口的性質(zhì)為疲勞。根據(jù)疲勞弧線和放射棱線的方向判斷，疲勞起源于開口銷內(nèi)弧側(cè)表面區(qū)域(圖3中紅色虛線)。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearance of the fracture

斷口微觀形貌見圖4。源區(qū)可見清晰的疲勞弧線及放射棱線特征，根據(jù)放射棱線的方向判斷，疲勞起源于故障開口銷內(nèi)弧側(cè)表面，源區(qū)未見明顯的冶金缺陷(圖4a)。對疲勞擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行高倍觀察，可見疲勞條帶形貌(圖4b)，可進(jìn)一步表明斷口性質(zhì)為疲勞斷裂。

1.3 表面檢查

斷口源區(qū)附近表面微觀形貌如圖5所示，可見有明顯的磨損變形現(xiàn)象，且源區(qū)附近表面的磨損區(qū)與遠(yuǎn)離源區(qū)的未磨損區(qū)之間有明顯的分界線。

圖5 斷口源區(qū)側(cè)表面微觀形貌Fig.5 Microscopic magnification of the source sidesurface of the fracture

故障開口銷只有一側(cè)發(fā)生斷裂，對沒有發(fā)生斷裂側(cè)開口銷回彎處外弧表面和內(nèi)弧表面進(jìn)行觀察，可見內(nèi)弧和外弧表面都有不同程度的塑性變形，內(nèi)弧和外弧表面都呈褶皺特征(圖6)。

圖6 故障開口銷回彎處外弧表面微觀形貌Fig.6 Microscopic appearance of outer arc surface ofthe fault split pin bending area

1.4 材料組織與性能檢查

對故障開口銷進(jìn)行能譜分析，故障開口銷基體主要合金元素含量符合1Cr18Ni9Ti不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

故障開口銷組織形貌見圖7a，為鐵素體和珠光體組織，可知其沒有進(jìn)行固溶處理或固溶處理不到位。對故障開口銷進(jìn)行固溶處理后的組織形貌如圖7b所示，為奧氏體組織。

故障開口銷基體取樣后進(jìn)行硬度檢查，硬度值偏高(HV 217～235)，不符合標(biāo)準(zhǔn)(HV≤200)的要求。

1.5 有限元分析

本研究使用Abaqus模擬仿真軟件對開口銷回彎部位的受力情況進(jìn)行模擬計算。開口銷有限元模型見圖8。回彎處是發(fā)生故障的部位，因此對該處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。仿真中采用的單元類型為C3D8R(六面體線性縮減積分單元)，其優(yōu)點(diǎn)是：應(yīng)力計算結(jié)果準(zhǔn)確，適于模擬存在應(yīng)力集中的實(shí)際問題；在彎曲載荷下不易發(fā)生剪切自鎖情況；對位移求解計算結(jié)果較精確。模擬中限定了開口銷X軸(1 mm)、Y軸(0 mm)和Z軸(1 mm)方向的位移。在開口銷回彎處表面施加100 MPa的壓強(qiáng)模擬固定銷軸旋轉(zhuǎn)時回彎處表面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。開口銷材料力學(xué)性能值為：ρ=7.9 g/cm3，E=184 GPa，σb=540 MPa，μ=0.3。

圖7 金相組織形貌Fig.7 Microstructure of split pin

有限元分析結(jié)果見圖9，由Von Mises應(yīng)力分布云圖可知，最大應(yīng)力位于開口銷平直段與回彎處的過度區(qū)域。

2 分析與討論

由斷口分析結(jié)果可知，故障開口銷斷口的性質(zhì)為疲勞斷裂，源區(qū)位于內(nèi)弧側(cè)表面，未見明顯的冶金缺陷。硬度檢查表明，故障開口銷的硬度值偏高，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度值偏高會降低材料的斷裂韌性[9]。

從斷口源區(qū)附近表面的磨損痕跡可知，在發(fā)動機(jī)工作過程中，開口銷與固定銷軸孔發(fā)生了相對竄動。開口銷表面發(fā)生磨損會降低其表面完整性，使得抗疲勞性能下降，對疲勞裂紋的萌生起促進(jìn)作用[10]。

圖8 開口銷有限元模型Fig.8 Finite element analysis model of split pin

圖9 開口銷有限元分析結(jié)果Fig.9 Finite element analysis results of split pin

故障開口銷只有一側(cè)發(fā)生斷裂，這說明在回彎處的分開部位兩側(cè)不在同一平面，導(dǎo)致受力不均。

對故障開口銷附近的安裝零部件進(jìn)行觀察，與開口銷接觸的作動筒支架側(cè)表面存在周向摩擦痕跡，說明開口銷隨作動筒支架固定銷軸發(fā)生了轉(zhuǎn)動。固定銷軸轉(zhuǎn)動時，支架側(cè)表面會對開口銷回彎處表面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。在固定銷軸不停的轉(zhuǎn)動過程中，開口銷回彎處表面會反復(fù)受到彎曲應(yīng)力的作用，易在此處萌生疲勞裂紋。

故障開口銷回彎180°處的內(nèi)弧側(cè)表面有基體堆積生成褶皺，褶皺處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，對疲勞裂紋的萌生起促進(jìn)作用。

有限元分析結(jié)果表明，開口銷的最大應(yīng)力集中處與故障開口銷斷裂位置相吻合，進(jìn)一步證明了故障開口銷發(fā)生斷裂與(固定銷軸轉(zhuǎn)動時)開口銷回彎處表面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力有關(guān)。

3 改進(jìn)措施

1)嚴(yán)格控制熱處理加工工藝，確保開口銷基體的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

2)減小開口銷回彎處的角度，降低回彎處褶皺導(dǎo)致的應(yīng)力集中；

3)開口銷分開部位應(yīng)該保持平齊，避免因高低差導(dǎo)致開口銷兩側(cè)受力不均；

4)在開口銷和支架側(cè)表面之間增加墊片，緩解開口銷在工作過程中與作動筒支架側(cè)表面的周向摩擦。

4 結(jié)論

1)開口銷的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞源位于開口銷的內(nèi)弧側(cè)表面，源區(qū)未見明顯冶金缺陷。

2)故障開口銷硬度值偏高；回彎處內(nèi)弧表面褶皺易產(chǎn)生應(yīng)力集中；同時，在發(fā)動機(jī)工作過程中，開口銷與固定銷軸孔之間的相對竄動破壞了開口銷的表面完整性，使得抗疲勞性能下降，再加上固定銷軸在轉(zhuǎn)動過程中會對開口銷內(nèi)弧表面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力作用。在上述因素的共同作用下，最終導(dǎo)致開口銷過早發(fā)生疲勞斷裂。